Магнитометр

Магнитометр перед погружением

Магнитометр в (от греч. magnetis в магнит ив метр), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента. Магнитометры градуируются в единицах напряжённости магнитного поля СГС системы единиц (Эрстед, мЭ, мкЭ, гамма = 10⁵ Э) и в единицах магнитной индукции СИ (Тесла, мкТл, нТл). Магнитометры.

Применяется:

• в геологии, при поиске полезных ископаемых,
• в археологии, при археологических раскопках,
• в астрофизике, при исследовании орбиты планет.
• в навигации на море, космосе и авиации.
• в биологии и медицине.
• в сейсмологии (предсказании землетрясений).

Типы магнитометров

Магнитостатические магнитометры

(механический магнитометр) основаны на измерении механического момента $J$, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле $H_i$; $\vec{J} = [\vec{M}, \vec{H_i}]$, где $M$в магнитный момент индикаторного магнита. Момент $J$ в магнитометрах различной конструкции сравнивается:

• с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G ~ 1 нтл)
• с моментом силы тяжести (магнитные весы с G ~ $10^{-15}$ нтл)
• с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле $H_i$, можно измерить абсолютную величину $H_i$ (абсолютный метод Гаусса).

Основное назначение магнитостатических магнитометров в измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.

Индукционные магнитометры

Индукционный магнитометр

Основаны на явлении электромагнитной индукции в возникновении эдс в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока $\Theta$. Изменение потока в катушке может быть связано:

• с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (примеры в индукционные вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G ~ $10^{-4}$ вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G ~ $10^{-6}$ вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G ~ $10^{-8}$ вб/деление и другие.
• с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле (рис. 2); простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G ~ $10^{-8}$ тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G ~ 0,1в1 нтл.
• с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу ферромодуляционные магнитометры имеют G ~ 0,2в1 нтл.

Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т. д.

• Вибрационный магнитометр
• Флюксметр
• Феррозондовый магнитометр.

Квантовые магнитометры

Приборы, основанные на свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах (ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе). Для наблюдения зависимости частоты $~\Omega$ прецессии магнитных моментов микрочастиц от напряжённости $~H_{i}$ измеряемого поля ($\Omega=\gamma\times H_{i}$, где $~\gamma$ в магнитомеханическое отношение) необходимо создать макроскопический магнитный момент ансамбля микрочастиц (ядер или электронов). В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают: протонные магнитометры (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные магнитометры (электронные и ядерные), магнитометры с оптической накачкой и др. Квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке, в магнитохимии (G до $10^{-5}$-$10^{-7}$ нтл). Значительно меньшую чувствительность (G ~ $10^{-5}$ тл) имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей.

• Протонный магнитометр.
• Гелиевый магнитометр.
• Атомный магнитометр на щелочный металлах с оптической накачкой.
  • • Атомный магнитометр, свободный от спин-обменного уширения (SERF-магнитометр)
• СКВИД (англ. SQUID).

Чувствительность квантового магнитометра $G$ определяется следующим соотношением:

$~G = k\Gamma/{\gamma S_n}$

где $k$ константа, $\Gamma$ в ширина спектральной линии, $\gamma$ - гиромагнитное отношение и $S_n$ в отношение сигнал/шум. Чувствительность не зависит от ларморовой частоты. Магнитометры Оверхаузена, ларморова частота которых равна 0.042 Гц/нТл, цезиевый и гелиевый-4 магнитометры с 3.5 Гц/нТл и 28 Гц/нТл, соответственно, имеют одинаковую чувствительность. Ширина спектральной линиии $\Gamma$ для разных квантовых магнитометров приведена в таблице.

Сравнение магнитометров

Таблица 1, Ширина линии магнитного резонанса в различных магнитометрах

Тип магнитометра	Ширина резонансной линии, $\Gamma$, нТл
Цезий	$20$
Гелий 3	$2.74x10^{-5}$
Гелий 4	$70$
Оверхаузен	$4$
Калий	$0.1-10$
Протон	$15$

Применение магнитометров в медицине

Таблица 2, Общая характеристика магнитных полей в биологии

Величина магнитного поля, Тл	Источники и оценка магнитометра	Тип магнитометра
$10^{-2} - 10^{-3}$	Предельно допустимое поле на рабочем месте
$10^{-4}-10^{-7}$	Геомагнитное поле	Холловский датчик
$10^{-8}$	Городские магнитные помехи,	Феррозонд
$10^{-9}$	Порог магнитобиологических реакций	Феррозонд
$10^{-10}$	Сигнал электрического органа рыб, геомагнитный шум, сердце, ферромагнитные включения	Индукционный
$10^{-11}$	Мышцы скелетные, глаз	Магнитометр с оптической накачкой
$10^{-12}$	Фоновая и вызванная активность мозга	Магнитометр с оптической накачкой
$10^{-13}$	Клетчатка глаза	Магнитометр с оптической накачкой
$10^{-14}$	Чувствительность СКВИДА	СКВИД

Калибровка магнитометров

Установка для калибровки магнитометров

Некоторые факты развития магнитометрии в России

Русский ученый М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой паллетный точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитной обсерватории была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.

В 1956 году на советской шхуне «Заря» проводятся измерения магнитного поля. Все материалы и предметы корабельного хозяйства на этой шхуне были изготовлены из дерева и немагнитных сплавов, влияние магнитных полей моторов и другого оборудования минимизировано. В настоящее время весь Земной шар покрыт сетью пунктов где производят магнитные измерения (Например международная сеть магнитометрических станций INTERMAGNET (укр.)русск.).

В 1934 г. впервые в мире советский географ А. А. Логачев сконструировал прибор, позволяющий измерять магнитное поле Земли с самолета. Катушка аэромагнитометра быстро вращается в магнитном поле Земли и в ней возникает электрический ток. Сила этого тока изменяется пропорционально изменению магнитного поля Земли.

См. также

• Львовский центр Института космических исследований НАН и НКА Украины в производство магнитометров.

Ссылки

• NIST chip-scale atomic magnitometer project. Архивировано из первоисточника 14 марта 2012.
• Магнитометр в статья из Большой советской энциклопедии
• Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972;